JP2005216763A

JP2005216763A - イオン化気流発生装置

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Publication number: JP2005216763A
Application number: JP2004024265A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Motokawa; 寛本川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-01-30
Filing date: 2004-01-30
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】従来のコロナ放電式除電装置の寿命、効率上の問題点について改善され、且つ安全な除電装置、更にはイオン化装置、オゾナイザとしても好適な、イオン化気流発生装置を提供する。
【解決手段】誘電体管（１）と、該誘電体管中に挿入された内側電極（２）と、該誘電体管に近接し且つ該誘電体管を包囲するように配設された細線導体（４）と、該誘電体管および細線導体を包囲するように配設された外筒（３）と、該誘電体管（１）と外筒（３）の間隙への気体の導入口（５）と、気体の外部への排出口（６）とを有し；前記内側電極（２）と細線導体（４）間に電圧を印加することにより、細線導体（４）と誘電体管を介して内側電極（２）との間で誘電体バリア放電を起し、発生したイオンを同伴する気流を外部へ放出するように構成したことを特徴とするイオン化気流発生装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば除電装置、イオン化装置等として使用されるイオン化気流発生装置に関する。

プラスチック等の絶縁体（誘電体）の表面に滞留する静電気は、人体に対してしばしば不快感を与えるのみならず、ほこりの吸着、放電による火災の発生、印刷、塗布、真空蒸着、スパッタリング等の表面処理における表面処理むら、写真フィルムの感光ムラ等の、生活環境ならびに工業プロセスにおける多大な障害の原因となっており、その除去、すなわち除電の必要性には大なるものがある。

従来、最も広く使用されている除電装置は、針状電極を用いたコロナ放電方式であるが、この方式にはコロナ放電の継続により、針状電極の先端が摩耗し、１万時間程度まで使用を継続すると、処理能力が急速に低下するという基本的な問題点がある。このような針状電極を用いるコロナ放電方式除電装置における電極の摩耗という問題を緩和すべく、ワイヤー電極を用いる除電装置も提案されてはいるが、ワイヤー電極の場合、接地近傍では、針状電極程には電界の集中が起らず、高電界の形成が困難のため効率的なコロナ放電を実現し難いという難点がある。
林泉著「高電圧プラズマ工学」第３５頁、（株）丸善発行（１９９６）。岡崎幸子ほか「大気圧グロー放電とプラズマ技術」、工業技術、Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１、５〜１６頁。

本発明の主要な目的は、従来のコロナ放電式除電装置の寿命、効率上の問題点について改善した除電装置としても好適に用いられるコロナ放電式イオン化気流発生装置を提供することにある。

すなわち、本発明は、誘電体管と、該誘電体管中に挿入された内側電極と、該誘電体管に近接し且つ該誘電体管を包囲するように配設された細線導体と、該誘電体管および細線導体を包囲するように配設された外筒と、該誘電体管と外筒の間隙への気体の導入口と、気体の外部への排出口とを有し；前記内側電極と細線導体間に電圧を印加することにより、細線導体と誘電体管を介して内側電極との間で誘電体バリア放電を起し、発生したイオンを同伴する気流を外部へ放出するように構成したことを特徴とするイオン化気流発生装置を提供するものである。

好ましくは、前記外筒が、導体金属からなる外筒電極を構成し、前記細線導体と電気的に接触するように配設されることにより、前記内側電極と外筒電極間に電圧を印加して該外筒電極を介して細線導体に給電し、細線導体と誘電体管を介して内側電極との間で誘電体バリア放電を起すように構成される。また、好ましくは前記細線導体は金属細線（ワイヤ）であり、誘電体管の外周に適宜の間隔でコイル状に巻き付けられる。また、前記外筒ないし外筒電極には、その長手方向に沿ってスリット状または複数の気体排出口が設けられる。

本発明のイオン化気流発生装置においては、誘電体を介して内側電極の対向電極として作用する細線導体（金属細線）が誘電体に極めて近接して配設されるため、内側電極との間に安定的な高電界の発生が可能である。このため、低電流の誘電体バリア放電（すなわち、一対の電極の少なくとも一方を覆う誘電体表面で起こる気体放電（バリア放電）；非特許文献１）による安定なコロナ放電が可能になり、そこを接触通過する気流の効率的なイオン化が可能になる。

以下、本発明のイオン化気流発生装置を実施例に基づいて、より具体的に説明する。

（実施例１）
図１は、除電装置として構成された本発明の一実施例に係る管状イオン化気流発生装置の長手方向一部切欠模式断面図であり、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線矢視方向模式断面図である。

図１および２を参照して、この例のイオン化気流発生装置は、一端を封じた誘電体管１（例えば石英ガラス管（外径：５ｍｍφ、厚さ：１．０ｍｍ、長さ：約３００ｍｍ））と、該誘電体管１に挿入された内側電極２（シリコーン樹脂被覆電線の被覆を除いたものであり、０．２ｍｍの銅芯線２６本の撚り線で外径は約１．６ｍｍ）と、前記誘電体管１を包囲する外筒としての外筒電極３（真鍮製細管（外径：約８ｍｍφ、厚さ：約０．５ｍｍ））と、該誘電体管１と外筒電極３との間に誘電体管１の周囲に巻き回され外筒電極３に接触するように配置された細線導体としてのコイル状ワイヤ電極４（０．２ｍｍφのタングステン線ないしＳＵＳ線）とを有する。更に外筒電極３の誘電体管１の封じられた一端の側の一端は気体導入口として機能する開口５を有し、外筒電極３の長手方向の図示下側部には一列に適宜の間隔（例えば約１０ｍｍ）で複数の気体排出口４（径約１．５ｍｍφ）が設けられており、外筒電極３の開口５と逆側の基部は、誘電体管１および内側電極２の基部ならびに内側電極２の被覆２ａとともに樹脂モールド７により固定されている。また、内側電極２および外筒電極３には、スイッチ９を介して交流電源８（例えば家庭用電源から昇圧して９ｋＶ、６０Ｈｚの電圧を供給するもの）が結線され、交流電圧が印加可能とされている。また外筒電極３は、接地され、露出しても（もちろん、樹脂被覆等が適宜なされてもよい）、安全なように配慮されている。

操作の一例においては、上記例示の寸法を有する装置に対して、ロータリーポンプ（（株）安永鉄工所製「ＤＲＢ−３５」；図示せず）を用いて開口５から圧縮空気（約０．１５ｋｇ／ｃｍ^２・Ｇ）を約２５〜３０リットル／分の割合で導入し、電源８から交流電圧を印加して、交流の半サイクル毎に正負の符号の交番するイオンを同伴する空気流を孔６から排出させた。そして、このイオン化空気流を、予め綿布で摩擦して約−２〜−３ｋＶ（ＳＩＭＣＯ社製「ＦＭＸ−００２型」静電気測定器により測定）に帯電させ、図１の装置の下部から約１０ｍｍ離して置いた約５０ｍｍ×１００ｍｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムに瞬間的に（１秒未満）吹き付けたところ、表面電位はほぼ零Ｖとなり、実質的に完全に除電された。

（実施例２）
実施例１の装置を用い、但し、正負のバランスした完全ＡＣ電源８（９ｋＶ，６０Ｈｚ）の代わりに、該ＡＣ電源８に加えて、これと直列に、２ｋＶのＤＣ電源（図示せず）を外筒電極３側が負極となるように接続して、ＤＣ重畳ＡＣ電圧を印加し、孔６から吹き出される負イオンに富むイオン化気流を排出させ、実質的に非帯電のＰＥＴフィルムに吹き付けた。その結果、処理されたＰＥＴフィルムには、約−１００〜−２００Ｖの表面電位が一様に観測された。

（実施例３）
実施例２と同様に、但し２ｋＶのＤＣ電源を今度は極性を逆転して、外筒電極３側が正極となるようにＡＣ電源８（９ｋＶ，６０Ｈｚ）と直列に接続して、ＤＣ重畳ＡＣ電圧を印加し、孔６から吹き出される正イオンに富むイオン化気流を排出させ、実質的に非帯電のＰＥＴフィルムに吹き付けた。その結果、処理されたＰＥＴフィルムには、約＋１００〜＋２００Ｖの表面電位が一様に観測された。

（変形例）
上記実施例１〜３において、除電装置およびイオン化装置として機能する本発明のイオン化気流発生装置の特定的な実施例を示した。しかしながら、このような実施例は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲内で、多様な変形が可能である。特に、上記実施例で説明した各部の寸法は、処理対象によって大幅に変更可能であることならび材質も適宜変更可能であることは、当業者に自明と考えられる。

例えば上記実施例１に先立って、開口５からより少ない風量として、約８リットル／分の空気を送り込んだ場合に比べて、上記実施例１のように約２５〜３０リットル／分と増量したほうがより良い除電効果が確認されている。処理されるべき対象に応じて、更に大容量空気が送られ、また場合により装置の複数並列使用が必要になり得ることは、当然理解されよう。また上記実施例１では、家庭用電気を用いたため、交流電源８の周波数は６０Ｈｚと比較的低かったが、１〜１０ｋＨｚあるいはそれ以上の高周波交流電圧を印加することにより、より高速の除電ならびにイオン化処理が可能になることは、当業者には自明のことである。また、電源８による印加電圧は、上記例の９ｋＶに限らず、一般に
比較的安全に絶縁が確保できる１〜２０ｋＶ程度の電圧が好適に用いられる。

更に本発明者の知見によれば、以下のような変形が可能である。

（１）上記の例においては、細線導体４と、内側電極２間に電圧を印加するに際して、金属製の外筒電極３を介して細線導体４に給電する構成としている。この構成は、装置の長手方向における細線導体４の抵抗による電圧の低下を防ぎ、一様な電圧分布（電位）を形成する上で好ましい態様であり、細線導体４自体の電気的連続性を要求しない（途中で切断してもよい）利点があるが、外筒３を介さずに、細線導体４に直接給電することもできる。この場合は、外筒３は樹脂製でもよい。またこの場合は、装置の長手方向の電圧低下を防ぐために、細線導体４は、コイル状電極というよりは、網状電極（あるいは螺旋巻き方向が互いに逆である２条のコイル状導体の重ね巻き）の方が好ましく、また長手方向の両端の少なくとも一方にはリング状の端子を設けて、細線導体４への給電を改善することが好ましい。

（２）細線導体４と内側電極２との間に印加する電圧の種類は、直流あるいは交流パルス電圧であってもよい。

（３）細線導体４は、金属線に限らず、炭素線等、任意の導体の細線であり得る。

また細線導体の外径は、高電界を確保するには細いほうが好ましく、上記の例では０．２ｍｍとしたが、用途や設置場所における機械的郷土も考慮して、一般に０．１〜０．８ｍｍ程度の範囲から適宜選択可能である。

（４）上記図１および図２の装置は、電源、細線導体等の詳細は図３（（ａ）は図２相当、（ｂ）は図１相当）のように集約できる。そして、イオン化気流の流量を増大するために、外側電極管３とは別途の気流配管３ａ（図４）を設けたり、該気流配管を拡径した気流配管３ｂ（図５）を設けることができる。

（５）また装置内において、誘電体管１と外筒電極３との間での気体流通が確保される限りにおいて、気体の導入口５と排出口６の配置には多様な任意性がある。例えば、以下のような変形が可能である。

（イ）図１および２（従って図３）の態様においては、外筒電極管３の図示下側に一列にのみ、複数の小孔を間隔を置いて設けてあるが、小孔を外筒電極管の全周に亘って設けることもできる。これは、例えば、外筒電極管から周囲媒体（例えば空気あるいは絶縁性液体）に効率的にイオン化気流を分配するようなときには適している。また上記例で用いたような一列に配列した複数の小孔の代りに、外筒３の長手方向に沿って延長するスリット状の開口（たとえば上記実施例１において溝幅１．５ｍｍ、長さ２５０ｍｍのもの）を設けることにより、却ってイオン化気流の流出状況が改善されて除電効果が向上することも確認されている。

（ロ）また図３（ｂ）に対応して図６に示すように、外筒電極管３を包囲してジャケット管１０を設け開口５ａから気体を導入すれば、上記例では気体排出口６として作用した小孔が外筒電極管３内への気体導入口として作用し、上記例では気体導入口５として作用した開口が気体排出口６ａとしてイオン化気体流の排出に用いられる。また、この気体導入口は、ジャケット管１０（ならび口５ａおよび５ｂ）を設けずに、開口６ａとは逆側の端部の樹脂モールド部７中に設けてもよい。この際、気体導入口はらせん孔として外側電極管中に旋回流を導入する構成とすることもできる。但し、この例のように外側電極管３の一端からイオン化気流を排出する構成では、気体のイオン化部（ワイヤ４と誘電体管１の間隙部）から気流排出口６ａまでの距離が増大するために排出気流中のイオンは減少することとなるが、途中で発生したイオンが作動気体に有用な変化を与える（例えば空気を作動気体とする場合に、オゾン（Ｏ_３）に富んだ空気流が発生する。これは非特許文献２の第１４〜１５頁に開示されるオゾナイザと類似の機能と解することもできる。）場合には、排出気流を有用に利用することができる。このように本発明の「イオン化気流発生装置」とは、装置内でイオン化気流が発生するが、装置から排出する気流中にはイオンが減少しているような装置（例えばオゾナイザ）をも包含するものである。例えばオゾナイザを構成する場合には、排出口６ａから排出されたオゾンに富んだ空気流は、排液等のオゾン処理に好適に用いられる。

（６）上記においては、主として空気を作動気体として説明したが、作動気体としては、コロナ放電（誘電体バリア放電）によりイオン化可能な任意の気体が用いられる。

（７）上記実施例２の排出口６から排出された負イオンに富んだ空気流は、人体への環境衛生上好ましいとされ、従って実施例２の装置は負イオンの発生器としても使用できることはもちろんである。

（８）誘電体管１及び外筒３は真円状である必要はなく、特に外筒３の被処理物に対向する面が幅広ないし平面（結果として断面が馬蹄形状になる）とすることもイオン化気流の排出及びこれによる処理効率の向上のために好ましいこともある。

（９）誘電体管１は、石英製に限らず一般にセラミック製誘電体製のものが用いられるが、強度の許す限り薄い方が高電界の発生には有利であり、用途に応じて、０．７ｍｍあるいはそれ以下から、上限は３ｍｍ程度までの範囲から適宜選択し得る。

（１０）内側電極２は、上記例のより線に限らず、比較的太い導体単線も用いられる。内側電極２は、誘電体管１への挿入が可能な限りにおいてできるだけ誘電体管１に密着していることが好ましく、従って、誘電体管１の内側に蒸着された金属電極としても形成可能である。

上述したように、本発明によれば、従来のコロナ放電式除電装置の寿命、効率上の問題点について改善した除電装置、更にはイオン化装置、オゾナイザとしても好適なイオン化気流発生装置が提供される。この装置は、上記実施例からも明らかなように、極めてコンパクトに構成可能であり、また外筒（電極）あるいは細線導体を接地することにより、高電圧を使用する場合でも極めて安全に取り扱い可能である。

除電装置として構成された本発明の一実施例に係る管状イオン化気流発生装置の長手方向一部切欠模式断面図。図１のＩＩ−ＩＩ線矢視方向模式断面図。図１および図２の集約模式図。図３の装置の変形例を示す模式図。図３の装置の変形例を示す模式図。気体導入口および排出口の変形配置例を示す模式図。

符号の説明

１誘電体（石英ガラス）管
２内側電極（高電圧用シリコーンゴム被覆銅線）
２ａ内側電極被覆
３外筒（電極）
３ａ，３ｂ気体流動管
４細線導体（コイル状ワイヤ電極）
５，５ａ，５ｂ気体導入口
６，６ａ気体排出口
７樹脂モールド
８（交流）電源
９スイッチ

Claims

誘電体管と、該誘電体管中に挿入された内側電極と、該誘電体管に近接し且つ該誘電体管を包囲するように配設された細線導体と、該誘電体管および細線導体を包囲するように配設された外筒と、該誘電体管と外筒の間隙への気体の導入口と、気体の外部への排出口とを有し；前記内側電極と細線導体間に電圧を印加することにより、細線導体と誘電体管を介して内側電極との間で誘電体バリア放電を起し、発生したイオンを同伴する気流を外部へ放出するように構成したことを特徴とするイオン化気流発生装置。
前記外筒が、導体金属からなる外筒電極を構成し、前記細線導体と電気的に接触するように配設されることにより、前記内側電極と外筒電極間に電圧を印加して該外筒電極を介して細線導体に給電し、細線導体と誘電体管を介して内側電極との間で誘電体バリア放電を起すように構成した請求項1に記載の装置。
前記内側電極と外筒電極間には交流電圧が印加され且つ外筒電極が接地される請求項２に記載の装置。
前記交流電圧が直流重畳交流電圧である請求項３に記載の装置。
前記外筒の長手方向に沿って複数の気体排出口が設けられている請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
前記外筒の長手方向に沿って延長するスリット状の気体排出口が設けられている請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
前記細線導体が金属細線であり、誘電体管の外周に適宜の間隔でコイル状に巻き付けられている請求項１〜６のいずれかに記載の装置。